Submarine Hydrodynamics

244 Pages·2018·7.611 MB·English

by  Martin Renilson

Martin Renilson
Submarine
Hydrodynamics
Second Edition
Submarine Hydrodynamics
Martin Renilson
Submarine Hydrodynamics
Second Edition
123
Martin Renilson
Australian Maritime College
University of Tasmania
Launceston,Tasmania
Australia
ISBN978-3-319-79056-5 ISBN978-3-319-79057-2 (eBook)
https://doi.org/10.1007/978-3-319-79057-2
LibraryofCongressControlNumber:2018937321
1stedition:©TheAuthor(s)2015
2ndedition:©SpringerInternationalPublishingAG,partofSpringerNature2018,
correctedpublication2018
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This book is dedicated to my wonderful wife,
Susan, who has looked after me when I have
been ill. She has also been a great support
and has assisted with the arrangement of the
manuscript. I would not have managed to
have completed this without her.
Acknowledgements
Anumberofpeoplehaveassistedmegreatlywiththepreparationofthisbook,andit
isnotpossibletomentionallofthembyname.However,Iamparticularlyindebted
toBrendonAnderson;PaulBlythe;MatteoBonci;BruceCartwright;PaulCrossland;
Ian Dand; Giulio Dubbioso; Jon Duffy; Eric Fusil; Zhi Leong; Mohammad
Moonesun; Chris Polis; David Pook; Dev Ranmuthugala; Amit Ray; Chris
Richardsen; Prasanta Sahoo; Greg Seil; Debabrata Sen; Auke van der Ploeg; Serge
Toxopeus; and George Watt for providing information that I have made use of.
Iamalsoverygratefultomywife,SusanRenilson,foralltheeffortthatsheput
in correcting my English, pointing out where my explanations make no sense, and
checking for consistency throughout this whole book.
Martin Renilson
vii
Contents
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Geometry. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.3 Standard Submarine Geometries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3.1 Series 58 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3.2 Myring Shape . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3.3 DRDC Standard Submarine Model . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3.4 DARPA Suboff Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3.5 Iranian Hydrodynamic Series of Submarines (IHSS). . . . 8
1.3.6 Joubert/BB1/BB2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2 Hydrostatics and Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.1 Hydrostatics and Displacement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2 Static Control. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2.1 Control in the Vertical Plane. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2.2 Transverse Stability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2.3 Longitudinal Stability. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.3 Ballast Tanks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.3.1 Categories of Ballast Tanks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.3.2 Main Ballast Tanks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.3.3 Trim and Compensation Ballast Tanks . . . . . . . . . . . . . 20
2.4 Trim Polygon. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.5 Stability When Surfacing/Diving . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.6 Stability When Bottoming. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.7 Stability When Surfacing Through Ice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.8 Stability Criteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
ix
x Contents
2.8.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.8.2 Bureau Veritas Criteria. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.8.3 DNV-GL Criteria. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3 Manoeuvring and Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.2 Equations of Motion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.3 Hydrodynamic Forces—Steady State Assumption. . . . . . . . . . . . 36
3.3.1 Coefficient Based Model. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.3.2 Look-up Tables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.3.3 Sensitivity of Individual Coefficients . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.4 Determination of Coefficients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.4.1 Model Tests. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.4.2 Computational Fluid Dynamics. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.4.3 Approximation Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.5 Alternative Approach to Simulation of Manoeuvring . . . . . . . . . 67
3.6 Manoeuvring in the Horizontal Plane. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.6.1 Turning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.6.2 Stability in the Horizontal Plane . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.6.3 Pivot Point. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.6.4 Effective Rudder Angle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.6.5 Heel in a Turn. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.6.6 Effect of Sail in a Turn. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.6.7 Centre of Lateral Resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.7 Manoeuvring in the Vertical Plane. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.7.1 Stability in the Vertical Plane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.7.2 Effective Plane Angles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
3.7.3 Neutral Point . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.7.4 Critical Point . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3.7.5 Influence of Neutral Point and Critical Point on
Manoeuvring in the Vertical Plane . . . . . . . . . . . . . . . . 82
3.8 Manoeuvring Close to the Surface. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
3.8.1 Surface Suction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
3.8.2 Manoeuvring in the Vertical Plane . . . . . . . . . . . . . . . . 92
3.8.3 Manoeuvring in the Horizontal Plane . . . . . . . . . . . . . . 95
3.9 Manoeuvring Criteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
3.10 Manoeuvring Limitations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
3.10.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
3.10.2 Safe Operating Envelopes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
3.10.3 Generation of Safe Operating Envelopes . . . . . . . . . . . . 98
3.10.4 Aft Plane Jam . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
3.10.5 Flooding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
Contents xi
3.10.6 Operating Constraints. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
3.11 Free Running Model Experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
3.12 Submarine Manoeuvring Trials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
3.12.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
3.12.2 Definitive Manoeuvres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
3.12.3 Preparation for the Trials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
3.12.4 Conduct of the Trials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
3.12.5 Analysis of the Trial Results. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
4 Resistance and Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
4.2 Components of Resistance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
4.3 Effect of Hull Form . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
4.4 Fore Body Shape . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
4.5 Parallel Middle Body (PMB). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
4.6 Aft Body Shape . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
4.7 Appendages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
4.7.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
4.7.2 Appendages Aligned with the Flow. . . . . . . . . . . . . . . . 129
4.7.3 Appendages at an Angle to the Flow. . . . . . . . . . . . . . . 132
4.8 Operating Close to the Surface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
4.8.1 Hull. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
4.8.2 Masts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
4.9 Prediction of Submarine Resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
4.9.1 Model Testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
4.9.2 Computational Fluid Dynamics (CFD). . . . . . . . . . . . . . 144
4.9.3 Approximation Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
5 Propulsion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
5.1 Propulsor/Hull Interaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
5.1.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
5.1.2 Flow into the Propulsor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
5.1.3 Wake. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
5.1.4 Thrust Deduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
5.1.5 Hull Efficiency. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
5.1.6 Relative Rotative Efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
5.1.7 Quasi Propulsive Coefficient. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
5.2 Axisymmetric Hull with Single Propeller . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
5.3 Axisymmetric Hull with Single Pumpjet . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
5.4 Other Configurations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
5.4.1 Contra-rotating Propulsion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
5.4.2 Twin Propellers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
xii Contents
5.4.3 Podded Propulsion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
5.4.4 Rim Driven Propulsion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
5.5 Prediction of Propulsor Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
5.5.1 Physical Model Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
5.5.2 Computational Fluid Dynamics. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
6 Appendage Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
6.1 General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
6.2 Sail . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
6.3 Forward Control Surfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
6.3.1 General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
6.3.2 Midline Planes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
6.3.3 Eyebrow Planes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
6.3.4 Sail Planes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
6.4 Aft Control Surfaces. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
6.4.1 General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
6.4.2 Cruciform Configuration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
6.4.3 X-form Configuration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
6.4.4 Alternative Configurations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
7 Hydro-acoustic Performance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
7.1 General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
Erratum to: Manoeuvring and Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . E1
Appendix. .... .... .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 209
Index .... .... .... .... .... ..... .... .... .... .... .... ..... .... 221